Prensa hidráulica

Uma prensa hidráulica multiplica a força com água. Uma pequena bomba manual impele água para dentro de um cilindro fechado, e o largo êmbolo que lá corre empurra com uma força tantas vezes maior quanto a sua área excede a do pistão da bomba, avançando outro tanto menos. Blaise Pascal descreveu o princípio num tratado escrito por volta de 1651–1654 e publicado em 1663. Joseph Bramah patenteou em Londres, em 1795, uma prensa que funcionava; um colar de couro que aperta com a pressão tornou-a estanque, e as suas prensas enfardaram pano, feno e sementes oleaginosas antes de darem origem às prensas de forja do século XX.

O que é

Uma prensa hidráulica aperta, achata ou dá forma com um êmbolo empurrado por água. Tem dois cilindros de tamanhos muito diferentes, ligados por um tubo e cheios de água ou de óleo. Um operário mete com uma alavanca um pistão estreito no cilindro pequeno, e o líquido levanta o largo êmbolo do cilindro grande com uma força muito maior. O êmbolo leva um prato, e a carga que fica entre o prato e uma cabeça fixa é apertada tanto quanto a estrutura aguenta.

Numa prensa do tipo que Joseph Bramah construía em Londres no início do século XIX, o cilindro grande está metido numa base de ferro fundido, e colunas de ferro ligam a base a uma cabeça fixa no alto, de modo que a estrutura recebe a reação do êmbolo. De lado, uma bomba manual aspira água de um reservatório e impele-a por um tubo estreito para debaixo do êmbolo. Uma pequena torneira deixa sair outra vez a água para baixar o êmbolo quando o trabalho acaba.

Como funciona

A água quase não se comprime, por isso, quando se empurra dentro de um recipiente fechado, a sua pressão sobe, e essa pressão atua por igual em todas as paredes e em todos os pistões em que toca. A força num pistão é a pressão vezes a sua área. Com a mesma pressão debaixo dos dois, um êmbolo de área cem vezes maior do que a do pistão da bomba empurra cem vezes mais.

O pistão estreito desce muito; o largo sobe pouco, com mais força.

O ganho paga-se em percurso. A água que o pistão expulsa do cilindro pequeno espalha-se por baixo de toda a largura do êmbolo, que neste exemplo só sobe a centésima parte do curso do pistão. O trabalho, a força vezes a distância, é o mesmo nas duas pontas, menos o que o atrito leva. Suponhamos um pistão de 1 cm² e um êmbolo de 100 cm². Um empurrão de cerca de 100 newtons, o peso de 10 quilogramas, dá então cerca de 10 000 newtons no êmbolo, o peso de uma tonelada, e a alavanca da bomba multiplica ainda o esforço do operário antes de ele chegar ao pistão.

A bomba trabalha aos golpes, e duas válvulas antirretorno fazem a água seguir num só sentido. Na subida, o pistão aspira água do reservatório pela válvula de entrada; na descida, essa válvula fecha-se e a água sai pela válvula de saída para o tubo. A válvula de saída fecha-se quando o pistão volta a subir, pelo que o êmbolo fica em cima entre dois golpes. Abrindo a torneira de descarga, a água volta para trás e o êmbolo desce.

O êmbolo tem de sair do seu cilindro sem que a água escape à volta dele. Nas primeiras prensas, esta vedação é um anel de couro dobrado em U, metido numa ranhura à boca do cilindro, com o lado aberto virado para a água. A água afasta os dois lábios do U contra o êmbolo e contra a parede do cilindro: quanto mais sobe a pressão, mais a vedação aperta.

Como fazer

Este ensaio mostra o ganho de força com duas seringas. É preciso duas seringas sem agulha de tamanhos diferentes, por exemplo de 5 ml e de 50 ou 60 ml, cerca de 30 cm de tubo flexível que encaixe justo nos dois bicos, um copo de água com uma gota de corante alimentar, um livro de bolso, uma toalha e óculos de proteção.

Encha a seringa pequena de água corada, encaixe-lhe uma ponta do tubo e empurre devagar até sair água pela outra ponta. Empurre até ao fim o êmbolo da seringa grande, encaixe-a na ponta livre do tubo e verifique que fica pouco ar lá dentro. Pouse as seringas na toalha.

Duas seringas ligadas por um tubo de água: uma bomba pequena e um êmbolo grande.

Empurre o êmbolo pequeno em todo o seu curso e observe o grande: sai uma distância muito mais curta, e a sua escala mostra que recebe o mesmo volume de água que a seringa pequena perdeu. Segure agora a seringa grande de pé, com o êmbolo em cima, e pouse-lhe o livro em cima do êmbolo. Um empurrão leve no êmbolo pequeno levanta o livro. Troque os papéis: ponha o livro na seringa pequena e empurre o êmbolo grande; é preciso empurrar muito mais para mover o mesmo peso. Por fim, aperte os dois êmbolos ao mesmo tempo contra os polegares: com a mesma pressão, o êmbolo grande empurra muito mais.

História e evolução

Blaise Pascal descreveu o princípio no seu tratado sobre o equilíbrio dos líquidos, escrito por volta de 1651–1654 e publicado em Paris em 1663, depois da sua morte. Imaginou um recipiente cheio de água fechado por dois pistões, com uma abertura cem vezes maior do que a outra. Um homem que empurra o pistão pequeno, escreveu, faz frente a cem homens que empurram o grande, de modo que o recipiente se torna «uma máquina nova para multiplicar as forças». Também indicou o preço: quando o pistão pequeno entra uma polegada, o grande só sai a centésima parte de uma polegada.

Uma prensa que funcionasse só chegou mais de um século depois. Joseph Bramah, engenheiro londrino já conhecido pela sua fechadura, patenteou uma em 1795, com o n.º 2045 e o título «obter e aplicar força motriz». A sua prensa impelia água para debaixo do êmbolo de um cilindro grande com uma bomba de pistão. A dificuldade era a vedação: um empanque de cânhamo ou de couro apertado o bastante para reter a água prendia o êmbolo com tanta força que a prensa mal se mexia. A solução foi o colar de couro dobrado em U, que só aperta à medida que a pressão sobe. James Nasmyth, em 1863, atribuiu-o a Henry Maudslay, que trabalhou para Bramah até 1797, e a Rota Europeia do Património Industrial faz o mesmo; segundo a história organizada por John Cantrell e Gillian Cookson, um ano depois a Mechanics’ Magazine apontou Benjamin Hick, de Bolton.

Uma prensa Bramah enfarda pano de lã, um dos seus primeiros usos.

As primeiras prensas serviram a indústria de lanifícios, para enfardar feno e para espremer sementes e tirar azeite e óleo. Bramah forneceu prensas ao fabricante de panos de Leeds Benjamin Gott, cujos operários se opuseram à sua instalação, e mais tarde foi a tribunal para reaver dez delas. Os museus de Sheffield datam de 1806 o primeiro uso de uma prensa Bramah na Torre de Londres. Bramah aplicou depois a pressão da água às gruas e às portas das eclusas.

Mais tarde, bombas movidas a motor substituíram a alavanca manual, e os cilindros hidráulicos passaram a acionar as guilhotinas e as prensas de cacau do chocolate. No âmbito de um programa da Força Aérea dos Estados Unidos para prensas muito grandes, a empresa Loewy construiu para a Wyman-Gordon, em Grafton (Massachusetts), uma prensa de forja de 50 000 toneladas curtas, em serviço desde outubro de 1955. Forjou peças de avião, entre elas peças do Boeing 747.